规模化沼气工程沼液综合处理与利用的研究进展
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4 沼液的综合处理
沼液中丰富的营养物质和病原微生物会造成环 境的二次污染，因此要将沼液经过充分处理方能安 全排放，目前我国学者对沼液的处理主要集中在低 成本的自然生态净化、高成本的工厂化处理和高附 加值的开发性处理等三个方面。 4． 1 低成本的自然生态净化
低成本的自然生态净化主要是利用氧化塘及土
地处理系统或人工湿地的植物、微生物净化沼液中 的污染物。朱凤香、王卫平等［20 ～ 21］利用人工湿地栽 种水生作物对沼液进行无害化消解，经研究发现沼 液经过 7 d 时间消解净化就可符合国家 GB185962001《畜禽养殖业污染物排放标准》要求。氧化塘、 人工湿地等自然处理具有能耗少，运行费用低，管理 方便等优点，能有效去除有机污染物、病菌和病毒， 同时通过种植水生植物、养鸭和鱼虾贝类等实现污 水资源化，而且可以连续处理沼液，相对低成本的资 源性利用来说具有处理量大等优点，但是生物生长 代谢受温度影响很大，人工湿地的在冬季处理效果 较差［22］，净化负荷低、普遍存在淤积问题等。人工湿地 占地面积大，在土地稀缺的地方，难以实际应用。 4． 2 高成本的工厂化处理
中国沼气 China Biogas 2013，31（ 1）
25
Hale Waihona Puke 规模化沼气工程沼液综合处理与利用的研究进展
陈 超1 ，阮志勇2 ，吴 进3 ，高立洪4 ，宋金龙2 ，王彦伟2 ，徐彦胜3 ，韦秀丽4 ，徐凤花1
（ 1． 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030； 2． 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081； 3． 农业部沼气科学研究所，四川 成都 610041； 4． 重庆市农业科学院农业工程研究所，重庆 401329）
收稿日期： 2012-12-27 项目来源： 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项奖金项目（ 202-37） ； “十二五”农村领域国家科技计划课题（ 2011BAD11B05） ； 现代牧
业（ 集团公司） 攻关项目（ MF20100518） ； 国家科技支撑计划（ 2010BAD03B01） 作者简介： 陈 超（ 1986 － ） ，女，硕士，研究方向为农业微生物资源肥料化利用研究。 通信作者： 徐凤花，E-mail： xfh00001@ 126． com
不到合理的处理，不仅浪费了其中的资源，还很容易 造成环境的二次污染。目前国内相继出现了多种沼 液处置方式与技术，包括低成本的资源性利用、低成 本的自然生态净化、高成本的工厂化处理和高附加 值的开发性处理等四类。第一类是粗放型地对沼液 直接作为液体肥料进行利用，而后三类则是利用现 代工程技术，对 沼 液 进 行 复 杂 的 处 理，或 达 标 后 排 放，或选择性地对其中的营养物质进行利用。近年 来，随着对沼液中微生物组成和功能微生物资源挖 掘研究的深入，大量沼液来源的微生物被发掘出来， 这些菌株的初步功能分析的结果表明，此类资源具
1引言
我国面临着能源短缺和环境污染的两大问题， 近年来，沼气工程作为既可以缓解能源短缺，还能消 纳农村废弃物的利国利民的大事业，得到了国家的 大力支持，其中规模化沼气工程建设得到了迅速发 展，截至 2011 年，全国大中型沼气工程已有 73032 处。沼气工程带来了大量的生物能源，减少了农用 废弃物，增加了经济效益，但与此同时，会产生大量 沼液，沼液是沼气发酵后的产物，产量巨大，如果得
26
中国沼气 China Biogas 2013，31（ 1）
有良好的农业产业应用前景，也为沼液的综合利用 提供了新的思路。
2 我国沼液的理化特性和生物学特性
沼液是沼气发酵后的产物，含水率高达 90 % 以 上，由于沼气工程设计目标侧重点不同，且原料与 处理工艺各异，不同处理方式、饲料种类以及不同沼 气发酵工艺对发酵沼液养分特征有很大的影响［1］。 鸡粪、牛粪、猪粪三种不同原料的沼肥中，牛粪沼肥 养分含量最高，鸡粪最低［2］。牛场沼液中总氮集中 在 200 ～ 400 mg·L － 1 范围内，其中铵态氮占总氮量 的 70% 以上； 总磷分别集中在 300 mg·L － 1 以上，可 溶性磷 含 量 变 异 较 大； 总 钾 集 中 500 mg · L － 1 以 上［3］。沼液中除含有丰富的氮、磷、钾外还含有铁、 铜、锰等微量元素，而且这些物质大部分以可溶状态 存在于沼液中。作物利用率高，吸收和利用迅速，沼 液的施用不但能提高作物的产量和品质，而且具有 防病抗逆作用，因此沼液是一种优质的有机液体肥 原料［4］。沼气工程沼液的 pH 值大部分为中性到微 碱性［5］，但沼 液 中 含 有 大 量 的 微 生 物，其 中 也 包 括 有害微生 物。 路 振 香 等［6］ 人 研 究 表 明 沼 液 中 的 可 培养细菌含量在 105 ～ 106 cfu·mL － 1 之间，其中的 革兰氏阴性菌多于革兰氏阳性菌，杆菌多于其他形 态的菌。叶 小 梅［7］ 等 发 现 江 苏 省 大 中 型 沼 气 工 程 大肠菌群的数超过了 1000 cfu·mL － 1 ，沼液中重金 属含量是人们普遍关注的问题，段然等［8］对沼液中 多种重金 属 含 量 进 行 了 测 定，其 中 Cu，Zn 含 量 较 高。长期施用后，土壤中 Cu，Zn 含量显著高于对照 土壤，但均未超出国家土壤安全标准。
3 沼液处理研究与应用现状
由于沼液产量巨大，如得不到妥善处理，必然影 响沼气工程的发展，因此我国学者对沼液的处理与 应用展开了多方面的研究，包括以利用为目的的低 成本的资源性利用、以达标排放为目的的低成本的 自然生态净化和高成本的工厂化处理，还有兼具利 用和处理的高附加值的开发性处理等四类，目前针 对沼液的特殊环境及其多元化功能，还有学者提出 对沼液中微生物资源进行挖掘。
Research Progress on the Comprehensive Disposal and Utilization of Biogas Slurry from Large Scale Biogas Engineering / CHEN Chao1 ，RUAN Zhi-yong2 ，WU Jin3 ，GAO Li-hong4 ，SONG Jin-long2 ，WANG Yan-wei2 ，XU Yan-sheng3 ，WEI Xiu-li4 ，XU Feng-hua1 / （ 1． Resources and Environmental College Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China； 2． Key Laboratory of Microbial Resources，Ministry of Agriculture； Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China； 3． Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China； 4． Chongqing Academic of Agricultural Sciences ，Chongqing 401329，China） Abstract： Large scale biogas engineering has obtained a rapid development in recent years in China as it is a cause benefiting the country and the people． However it also produces a large amount of biogas slurry，which will restrict its development and cause the second pollution if the slurry can’t be treated reasonably． Biogas slurry contains a large quantity of organic matters and a large number of microorganisms with the functions as biopesticide and biofertilizer． The disposal and utilization of biogas slurry play a key role in the sustainable agriculture，so researchers in China have carried out a lot of study on the techniques to deal with it． In the last few years，the research on microbial community and functional microbe in biogas slurry provides a new thought to study the utilization of biogas slurry． Key words： large scale biogas engineering； utilization； disposal； biogas slurry； microbial resources
摘 要： 沼气工程作为一项利国利民的事业得到迅速发展，其发酵后的沼液产量巨大，如果得不到合理的处理和 利用，不仅制约沼气工程的发展，还会造成二次污染。但沼液中含有大量营养物质和微生物，具有促进作物生长和 控制病害发生的双重作用，沼液利用是循环农业产业链中的一个重要环节，我国学者就此问题展开了多方面的研 究，近年来对沼液中的微生物组成研究及功能微生物的挖掘为我们研究利用沼液提供了新的思路。 关键词： 规模化沼气工程； 沼液； 利用； 处理； 微生物资源 中图分类号： S216． 4 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 1166（ 2013） 01 － 0025 － 05
高成本的工厂化处理主要是利用人工构筑设 施，采取高能耗的强化措施，降解沼液中大量的有机 物，同时脱氮除磷，使出水达标排放。其核心工艺是 好氧生物，目前我国学者主要研究热点集中在好氧 生物降解的不同工艺上。根据工艺不同分为序批式 反应器 SBR、物化-序批式生物膜（ SBBR） 工艺、膜生 物反应 器 MBR。邓 良 伟 等［23］ 采 用 序 批 式 反 应 器 （ SBR） 处理猪场厌氧消化液，由于经厌氧消化后，污 水的可生化性变差，C / N 比不足，因此，采用 SBR 工 艺直接处理厌氧消化液效果不理想，为解决上述问 题，可以将猪场原水添入沼液中，调节碳氮比，补充 碱度，维持 pH［24］。试 验 证 明 当 原 水 比 例 为 30 % 时，去除效果最好，且运行稳定，处理水可达标排放。 李正山［25］通过对 猪 场 废 水 厌 氧 消 化 液 后 处 理 工 艺 条件优化调控，建立配水-亚硝化-反亚硝化-SBR 处 理猪场废水厌氧消化液的新技术工艺，降低生物脱 氮所需的 C / N 比，解决高氨氮低碳源猪场废水厌氧 消化液后处理的难题。序批式生物膜（ SBBR） 工艺 是以 YDT 弹性立体材料在 SBR 中挂膜，形成 SBBR。膜生物反应器（ MBR） 处理猪场污水厌氧消化 液，生物反 应 器 分 为 间 歇 曝 气 区 和 膜 分 离 区，COD 去除率可以稳定在 76 % 左右，MBR 具有污泥浓度 高，抗冲击负荷能力强，运行出水稳定等特点。好氧 处理法具有处理能力强、适应性广等优点。但其工 艺构筑物复杂、机械设备多、维护工作量大、投资大、 能耗高、运 行 维 护 费 用 高，规 模 小 的 养 殖 场 难 以 承 受，与我国经济发展水平不相适应。 4． 3 高附加值的开发性处理
沼液处理研究与应用现状由于沼液产量巨大如得不到妥善处理必然影响沼气工程的发展因此我国学者对沼液的处理与应用展开了多方面的研究包括以利用为目的的低成本的资源性利用以达标排放为目的的低成本的自然生态净化和高成本的工厂化处理还有兼具利用和处理的高附加值的开发性处理等四类目前针对沼液的特殊环境及其多元化功能还有学者提出对沼液中微生物资源进行挖掘
沼液中丰富的营养物质和病原微生物会造成环 境的二次污染，因此要将沼液经过充分处理方能安 全排放，目前我国学者对沼液的处理主要集中在低 成本的自然生态净化、高成本的工厂化处理和高附 加值的开发性处理等三个方面。 4． 1 低成本的自然生态净化
低成本的自然生态净化主要是利用氧化塘及土
地处理系统或人工湿地的植物、微生物净化沼液中 的污染物。朱凤香、王卫平等［20 ～ 21］利用人工湿地栽 种水生作物对沼液进行无害化消解，经研究发现沼 液经过 7 d 时间消解净化就可符合国家 GB185962001《畜禽养殖业污染物排放标准》要求。氧化塘、 人工湿地等自然处理具有能耗少，运行费用低，管理 方便等优点，能有效去除有机污染物、病菌和病毒， 同时通过种植水生植物、养鸭和鱼虾贝类等实现污 水资源化，而且可以连续处理沼液，相对低成本的资 源性利用来说具有处理量大等优点，但是生物生长 代谢受温度影响很大，人工湿地的在冬季处理效果 较差［22］，净化负荷低、普遍存在淤积问题等。人工湿地 占地面积大，在土地稀缺的地方，难以实际应用。 4． 2 高成本的工厂化处理
中国沼气 China Biogas 2013，31（ 1）
25
Hale Waihona Puke 规模化沼气工程沼液综合处理与利用的研究进展
陈 超1 ，阮志勇2 ，吴 进3 ，高立洪4 ，宋金龙2 ，王彦伟2 ，徐彦胜3 ，韦秀丽4 ，徐凤花1
（ 1． 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030； 2． 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081； 3． 农业部沼气科学研究所，四川 成都 610041； 4． 重庆市农业科学院农业工程研究所，重庆 401329）
收稿日期： 2012-12-27 项目来源： 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项奖金项目（ 202-37） ； “十二五”农村领域国家科技计划课题（ 2011BAD11B05） ； 现代牧
业（ 集团公司） 攻关项目（ MF20100518） ； 国家科技支撑计划（ 2010BAD03B01） 作者简介： 陈 超（ 1986 － ） ，女，硕士，研究方向为农业微生物资源肥料化利用研究。 通信作者： 徐凤花，E-mail： xfh00001@ 126． com
不到合理的处理，不仅浪费了其中的资源，还很容易 造成环境的二次污染。目前国内相继出现了多种沼 液处置方式与技术，包括低成本的资源性利用、低成 本的自然生态净化、高成本的工厂化处理和高附加 值的开发性处理等四类。第一类是粗放型地对沼液 直接作为液体肥料进行利用，而后三类则是利用现 代工程技术，对 沼 液 进 行 复 杂 的 处 理，或 达 标 后 排 放，或选择性地对其中的营养物质进行利用。近年 来，随着对沼液中微生物组成和功能微生物资源挖 掘研究的深入，大量沼液来源的微生物被发掘出来， 这些菌株的初步功能分析的结果表明，此类资源具
1引言
我国面临着能源短缺和环境污染的两大问题， 近年来，沼气工程作为既可以缓解能源短缺，还能消 纳农村废弃物的利国利民的大事业，得到了国家的 大力支持，其中规模化沼气工程建设得到了迅速发 展，截至 2011 年，全国大中型沼气工程已有 73032 处。沼气工程带来了大量的生物能源，减少了农用 废弃物，增加了经济效益，但与此同时，会产生大量 沼液，沼液是沼气发酵后的产物，产量巨大，如果得
26
中国沼气 China Biogas 2013，31（ 1）
有良好的农业产业应用前景，也为沼液的综合利用 提供了新的思路。
2 我国沼液的理化特性和生物学特性
沼液是沼气发酵后的产物，含水率高达 90 % 以 上，由于沼气工程设计目标侧重点不同，且原料与 处理工艺各异，不同处理方式、饲料种类以及不同沼 气发酵工艺对发酵沼液养分特征有很大的影响［1］。 鸡粪、牛粪、猪粪三种不同原料的沼肥中，牛粪沼肥 养分含量最高，鸡粪最低［2］。牛场沼液中总氮集中 在 200 ～ 400 mg·L － 1 范围内，其中铵态氮占总氮量 的 70% 以上； 总磷分别集中在 300 mg·L － 1 以上，可 溶性磷 含 量 变 异 较 大； 总 钾 集 中 500 mg · L － 1 以 上［3］。沼液中除含有丰富的氮、磷、钾外还含有铁、 铜、锰等微量元素，而且这些物质大部分以可溶状态 存在于沼液中。作物利用率高，吸收和利用迅速，沼 液的施用不但能提高作物的产量和品质，而且具有 防病抗逆作用，因此沼液是一种优质的有机液体肥 原料［4］。沼气工程沼液的 pH 值大部分为中性到微 碱性［5］，但沼 液 中 含 有 大 量 的 微 生 物，其 中 也 包 括 有害微生 物。 路 振 香 等［6］ 人 研 究 表 明 沼 液 中 的 可 培养细菌含量在 105 ～ 106 cfu·mL － 1 之间，其中的 革兰氏阴性菌多于革兰氏阳性菌，杆菌多于其他形 态的菌。叶 小 梅［7］ 等 发 现 江 苏 省 大 中 型 沼 气 工 程 大肠菌群的数超过了 1000 cfu·mL － 1 ，沼液中重金 属含量是人们普遍关注的问题，段然等［8］对沼液中 多种重金 属 含 量 进 行 了 测 定，其 中 Cu，Zn 含 量 较 高。长期施用后，土壤中 Cu，Zn 含量显著高于对照 土壤，但均未超出国家土壤安全标准。
3 沼液处理研究与应用现状
由于沼液产量巨大，如得不到妥善处理，必然影 响沼气工程的发展，因此我国学者对沼液的处理与 应用展开了多方面的研究，包括以利用为目的的低 成本的资源性利用、以达标排放为目的的低成本的 自然生态净化和高成本的工厂化处理，还有兼具利 用和处理的高附加值的开发性处理等四类，目前针 对沼液的特殊环境及其多元化功能，还有学者提出 对沼液中微生物资源进行挖掘。
Research Progress on the Comprehensive Disposal and Utilization of Biogas Slurry from Large Scale Biogas Engineering / CHEN Chao1 ，RUAN Zhi-yong2 ，WU Jin3 ，GAO Li-hong4 ，SONG Jin-long2 ，WANG Yan-wei2 ，XU Yan-sheng3 ，WEI Xiu-li4 ，XU Feng-hua1 / （ 1． Resources and Environmental College Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China； 2． Key Laboratory of Microbial Resources，Ministry of Agriculture； Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China； 3． Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China； 4． Chongqing Academic of Agricultural Sciences ，Chongqing 401329，China） Abstract： Large scale biogas engineering has obtained a rapid development in recent years in China as it is a cause benefiting the country and the people． However it also produces a large amount of biogas slurry，which will restrict its development and cause the second pollution if the slurry can’t be treated reasonably． Biogas slurry contains a large quantity of organic matters and a large number of microorganisms with the functions as biopesticide and biofertilizer． The disposal and utilization of biogas slurry play a key role in the sustainable agriculture，so researchers in China have carried out a lot of study on the techniques to deal with it． In the last few years，the research on microbial community and functional microbe in biogas slurry provides a new thought to study the utilization of biogas slurry． Key words： large scale biogas engineering； utilization； disposal； biogas slurry； microbial resources
摘 要： 沼气工程作为一项利国利民的事业得到迅速发展，其发酵后的沼液产量巨大，如果得不到合理的处理和 利用，不仅制约沼气工程的发展，还会造成二次污染。但沼液中含有大量营养物质和微生物，具有促进作物生长和 控制病害发生的双重作用，沼液利用是循环农业产业链中的一个重要环节，我国学者就此问题展开了多方面的研 究，近年来对沼液中的微生物组成研究及功能微生物的挖掘为我们研究利用沼液提供了新的思路。 关键词： 规模化沼气工程； 沼液； 利用； 处理； 微生物资源 中图分类号： S216． 4 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 1166（ 2013） 01 － 0025 － 05
高成本的工厂化处理主要是利用人工构筑设 施，采取高能耗的强化措施，降解沼液中大量的有机 物，同时脱氮除磷，使出水达标排放。其核心工艺是 好氧生物，目前我国学者主要研究热点集中在好氧 生物降解的不同工艺上。根据工艺不同分为序批式 反应器 SBR、物化-序批式生物膜（ SBBR） 工艺、膜生 物反应 器 MBR。邓 良 伟 等［23］ 采 用 序 批 式 反 应 器 （ SBR） 处理猪场厌氧消化液，由于经厌氧消化后，污 水的可生化性变差，C / N 比不足，因此，采用 SBR 工 艺直接处理厌氧消化液效果不理想，为解决上述问 题，可以将猪场原水添入沼液中，调节碳氮比，补充 碱度，维持 pH［24］。试 验 证 明 当 原 水 比 例 为 30 % 时，去除效果最好，且运行稳定，处理水可达标排放。 李正山［25］通过对 猪 场 废 水 厌 氧 消 化 液 后 处 理 工 艺 条件优化调控，建立配水-亚硝化-反亚硝化-SBR 处 理猪场废水厌氧消化液的新技术工艺，降低生物脱 氮所需的 C / N 比，解决高氨氮低碳源猪场废水厌氧 消化液后处理的难题。序批式生物膜（ SBBR） 工艺 是以 YDT 弹性立体材料在 SBR 中挂膜，形成 SBBR。膜生物反应器（ MBR） 处理猪场污水厌氧消化 液，生物反 应 器 分 为 间 歇 曝 气 区 和 膜 分 离 区，COD 去除率可以稳定在 76 % 左右，MBR 具有污泥浓度 高，抗冲击负荷能力强，运行出水稳定等特点。好氧 处理法具有处理能力强、适应性广等优点。但其工 艺构筑物复杂、机械设备多、维护工作量大、投资大、 能耗高、运 行 维 护 费 用 高，规 模 小 的 养 殖 场 难 以 承 受，与我国经济发展水平不相适应。 4． 3 高附加值的开发性处理
沼液处理研究与应用现状由于沼液产量巨大如得不到妥善处理必然影响沼气工程的发展因此我国学者对沼液的处理与应用展开了多方面的研究包括以利用为目的的低成本的资源性利用以达标排放为目的的低成本的自然生态净化和高成本的工厂化处理还有兼具利用和处理的高附加值的开发性处理等四类目前针对沼液的特殊环境及其多元化功能还有学者提出对沼液中微生物资源进行挖掘